JP2017182958A - 燃料処理装置及び燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】小型化できると共に、断熱性を確保でき、しかも、システム効率の低下を抑制できる燃料処理装置及び燃料電池モジュールを提供することが目的である。【解決手段】第一実施形態に係る燃料処理装置１０は、燃料処理装置本体２０と、断熱構造体７０とを備える。燃料処理装置本体２０は、多重管構造であると共に、外側から一番目の管２１と二番目の管２２との間に、水素を主成分とする燃料ガスが流れる燃料ガス流路３１を有する。断熱構造体７０は、燃料処理装置本体２０の外側に設けられた三重の多重管構造であると共に、外側から一番目の管７１と二番目の管７２との間に、真空断熱層８１を有し、かつ、外側から二番目の管７２と三番目の管７３との間に、燃料処理装置本体２０の燃焼室３４と連通され空気が流れる空気流路８２を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、原燃料を処理して水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料処理装置、及び、燃料処理装置を備えた燃料電池モジュールに関する。

一般に、この種の燃料処理装置や燃料電池モジュールには、断熱層が用いられる。従来、この断熱層としては、シリカアルミナ系の高性能断熱材が使用されることが多い（例えば、特許文献１参照）。また、断熱層としては、真空断熱層が用いられることもある（例えば、特許文献２参照）

特開２００４−１８２５２８号公報 特開２００５−９５５３号公報

しかしながら、シリカアルミナ系の高性能断熱材であっても、高温部を断熱する場合には、厚みを大きくする必要があり、小型化を阻害する要因となる。

また、真空断熱層を用いると、厚みを小さくすることができる利点があるが、高温の水素を扱う燃料処理装置や燃料電池モジュールにおいては、容器からの水素の透過が避けられず、真空断熱層の真空度を低下させてしまうという問題がある。

この問題を回避するために、例えば、特許文献２では、真空断熱層を有する断熱体とガス充填体との間に空間を設けることが提案されている。しかしながら、空間を設けても、時間が経過すると、空間の水素濃度が高くなり、水素が容器を透過して真空断熱層の真空度を低下させることになる。また、空間の水素濃度が高くならないように、空間の空気を外部に積極的に放散させることも考えられるが、この場合には、外部に熱を逃がすことになり、システム効率が低下する。

本発明は、上記事情に鑑み、小型化できると共に、断熱性を確保でき、しかも、システム効率の低下を抑制できる燃料処理装置及び燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の燃料処理装置は、多重管構造であると共に、外側から一番目の管と二番目の管との間に、水素を主成分とする燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有する燃料処理装置本体と、前記燃料処理装置本体の外側に設けられた少なくとも二重の多重管構造であると共に、外側から一番目の管と二番目の管との間に、真空断熱層を有し、かつ、外側から二番目の管の内側に、前記燃料処理装置本体の燃焼室又は燃料電池セルスタックの空気導入口と連通され空気が流れる空気流路を有する断熱構造体と、を備える。

この燃料処理装置によれば、燃料ガス流路を有する燃料処理装置本体の外側には、少なくとも二重の多重管構造である断熱構造体が設けられている。この断熱構造体は、外側から一番目の管と二番目の管との間に、例えばシリカアルミナ系の高性能断熱材に比して断熱性の高い真空断熱層を有する。したがって、断熱構造体の厚みが薄くて済むので、燃料処理装置を小型化することができる。

また、断熱構造体は、外側から二番目の管の内側に、空気が流れる空気流路を有している。したがって、燃料ガス流路を流れる燃料ガス中の水素が、燃料処理装置本体の外側から一番目の管等を透過して空気流路に侵入しても、空気流路における空気の流れに伴い水素の分圧が低くなる。このため、空気流路に侵入した水素が断熱構造体の外側から二番目の管を透過して真空断熱層に侵入することを抑制することができる。これにより、真空断熱層の真空度を維持できるので、断熱性を確保することができる。

さらに、空気流路は、燃料処理装置本体の燃焼室又は燃料電池セルスタックの空気導入口と連通されている。したがって、この空気流路を流れると共に燃料ガスとの熱交換により予熱された空気を、燃料処理装置本体の燃焼室での燃焼、又は、燃料電池セルスタックの発電に利用することができる。これにより、例えば空気流路を流れる空気が外部に放散される場合に比して、システム効率の低下を抑制することができる。

なお、請求項２に記載のように、請求項１に記載の燃料処理装置において、前記断熱構造体における外側から二番目の管は、前記断熱構造体における外側から一番目の管よりも厚くても良い。

この燃料処理装置によれば、断熱構造体における外側から二番目の管が、断熱構造体における外側から一番目の管よりも厚いので、空気流路に侵入した水素が断熱構造体の外側から二番目の管を透過して真空断熱層に侵入することをより一層効果的に抑制することができる。これにより、真空断熱層の真空度をより高く維持することができる。

また、断熱構造体における外側から二番目の管が厚いことにより、断熱構造体の剛性を向上させることができる。

また、請求項３に記載のように、請求項１又は請求項２に記載の燃料処理装置において、前記真空断熱層には、輻射熱反射材が設けられていても良い。

この燃料処理装置によれば、真空断熱層に輻射熱反射材が設けられているので、燃料処理装置本体からの輻射熱を輻射熱反射材で反射することができる。これにより、断熱性を向上させることができる。

また、請求項４に記載のように、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料処理装置において、前記真空断熱層には、ガス吸着剤が封入されていても良い。

この燃料処理装置によれば、真空断熱層にガス吸着剤が封入されているので、真空断熱層に侵入したガスをガス吸着剤で吸着することができる。これにより、真空断熱層の真空度をより高く維持することができる。

また、請求項５に記載のように、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の燃料処理装置において、前記燃料処理装置本体は、周囲部に対して相対的に温度が高くなる高温部を有し、前記断熱構造体の軸方向両端部には、前記高温部に対して前記断熱構造体の軸方向に突出する延長部がそれぞれ形成され、各前記延長部の内側には、断熱材がそれぞれ充填されていても良い。

この燃料処理装置によれば、断熱構造体の軸方向両端部には、高温部に対して断熱構造体の軸方向に突出する延長部がそれぞれ形成されており、この各延長部の内側には、断熱材がそれぞれ充填されている。したがって、高温部の熱が断熱構造体の軸方向両端部から逃げることを抑制することができる。これにより、断熱性をより向上させることができる。

また、請求項６に記載のように、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の燃料処理装置において、前記断熱構造体は、前記燃料処理装置本体と別体であり、前記燃料処理装置本体と前記断熱構造体との間には、断熱材が充填されていても良い。

この燃料処理装置によれば、燃料処理装置本体と断熱構造体との間に断熱材が充填されているので、断熱性を向上させることができる。

また、断熱構造体は、燃料処理装置本体と別体であるので、燃料処理装置の組立時に、燃料処理装置本体と断熱構造体との間に断熱材を容易に充填することができる。

また、請求項７に記載のように、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の燃料処理装置において、前記断熱構造体は、前記燃料処理装置本体と一体であり、前記断熱構造体における外側から二番目の管と、前記燃料処理装置本体における外側から一番目の管との間には、前記空気流路が形成されていても良い。

この燃料処理装置によれば、断熱構造体は、燃料処理装置本体と一体であるので、燃料処理装置本体及び断熱構造体を含む多重管構造体の製造時には、この断熱構造体を燃料処理装置本体と一体に組み立てることができる。これにより、例えば、断熱構造体が燃料処理装置本体と別体である場合に比して、組立工数を削減することができるので、コストダウンすることができる。

また、請求項８に記載のように、請求項７に記載の燃料処理装置において、前記燃料処理装置本体は、周囲部に対して相対的に温度が高くなる高温部と、前記高温部の軸方向に前記高温部と並んで設けられると共に前記高温部よりも低温の低温部とを有し、前記高温部の外周部は、前記断熱構造体によって覆われ、前記低温部の外周部は、断熱材によって覆われていても良い。

この燃料処理装置によれば、高温部の外周部は、真空断熱層を含む断熱構造体によって覆われているので、高い断熱性を要する高温部に対して高い断熱性を発揮することができる。

また、低温部の外周部は、断熱材によって覆われているが、低温部は高い断熱性を要しないので、断熱材の厚さが薄くて済む。これにより、燃料処理装置の小型化を実現することができる。

さらに、低温部の外周部を真空断熱層で覆わなくて済むので、高温部及び低温部を含む燃料処理装置本体の設計の自由度を高めることができる。

また、上記目的を達成するために、請求項９に記載の燃料電池モジュールは、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の燃料処理装置と、前記燃料処理装置の軸方向に前記燃料処理装置と並んで配置され、前記燃料ガス流路及び前記空気流路を通じて供給された燃料ガスと空気との電気化学反応により発電する燃料電池セルスタックと、を備える。

この燃料電池モジュールによれば、上述の請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の燃料処理装置を備えるので、小型化できると共に、断熱性を確保でき、しかも、システム効率の低下を抑制することができる。

以上詳述したように、本発明の燃料処理装置及び燃料電池モジュールによれば、小型化できると共に、断熱性を確保でき、しかも、システム効率の低下を抑制することができる。

本発明の第一実施形態に係る燃料処理装置の全体構成を示す縦断面図である。 図１に示される燃料処理装置の上半部の拡大図である。 図１に示される燃料処理装置の下半部の拡大図である。 本発明の第一実施形態に係る燃料処理装置において、真空断熱層にガス吸着剤を封入した変形例を示す要部拡大縦断面図である。 本発明の第二実施形態に係る燃料処理装置が適用された燃料電池モジュールの全体構成を示す縦断面図である。 図５に示される燃料電池モジュールの上半部の拡大図である。 図５に示される燃料電池モジュールの下半部の拡大図である。 本発明の第二実施形態に係る燃料電池モジュールにおいて、真空断熱層にガス吸着剤を封入した変形例を示す要部拡大縦断面図である。 本発明の第一実施形態に対する燃料処理装置の比較例を示す縦断面図である。

［第一実施形態］
はじめに、本発明の第一実施形態について説明する。

（燃料処理装置の全体構成）
図１〜図３に示される本発明の第一実施形態に係る燃料処理装置１０は、例えば、ＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）向けのものであり、原燃料を処理して水素を主成分とする燃料ガスを生成するものである。この燃料処理装置１０は、燃料処理装置本体２０と、断熱構造体７０とを備える。

各図において、矢印Ａ１は、燃料処理装置１０における軸方向一方側を示しており、矢印Ａ２は、燃料処理装置１０における軸方向他方側を示している。この燃料処理装置１０は、一例として、軸方向一方側を上側とすると共に、軸方向他方側を下側として配置される。以降、燃料処理装置１０の軸方向一方側を上側、燃料処理装置１０の軸方向他方側を下側として説明する。

（燃料処理装置本体の構成）
燃料処理装置本体２０は、多重管構造とされており、四重の管２１〜２４を有する。この四重の管２１〜２４は、例えば、ステンレス等の伝熱性の高い金属で形成されている。また、この四重の管２１〜２４には、例えば、断面円形の円筒管や、断面楕円形の楕円管等の筒状のものが使用されている。

この四重の管２１〜２４は、燃料処理装置本体２０の径方向外側から内側に順に配置されている。以降、外側から一番目の管２１を第一管２１と称し、外側から二番目の管２２を第二管２２と称し、外側から三番目の管２３を第三管２３と称し、外側から四番目の管２４を第四管２４と称する。

第一管２１と第二管２２との間は、燃料ガス流路３１として形成されており、第二管２２と第三管２３との間は、燃料処理流路３２として形成されている。また、第三管２３と第四管２４との間は、燃焼排ガス流路３３として形成されており、第四管２４の内側は、燃焼室３４として形成されている。

燃料ガス流路３１と燃料処理流路３２とは、互いの下端部にて連通しており、燃焼排ガス流路３３と燃焼室３４も、互いの下端部にて連通している。燃料処理流路３２の下部には、改質触媒層３５が設けられており、燃料ガス流路３１の上部には、シフト触媒層３６及び選択酸化触媒層３７が設けられている。

燃料処理装置本体２０の軸方向における改質触媒層３５が設けられた部分は、改質部４１を構成しており、燃料処理装置本体２０の軸方向におけるシフト触媒層３６及び選択酸化触媒層３７が設けられた部分は、一酸化炭素低減部４２を構成している。改質部４１及び一酸化炭素低減部４２は、その周囲部に対して相対的に温度が高くなる高温部とされる。

第二管２２の上端部には、改質用水導入管５１が接続されており、第二管２２の上下方向の中央部よりも上側の部分（シフト触媒層３６が位置する部分）には、原燃料導入管５２が接続されている。改質用水導入管５１の内側及び原燃料導入管５２の内側は、燃料処理流路３２とそれぞれ連通している。

また、第一管２１の選択酸化触媒層３７と対応する部分には、選択酸化空気導入管５３が接続されており、第一管２１の上端部には、燃料ガス送出管５４が接続されている。選択酸化空気導入管５３の内側及び燃料ガス送出管５４の内側は、燃料ガス流路３１と連通している。

燃焼室３４の上部には、バーナ６０が設けられている。このバーナ６０は、燃焼室３４の軸芯部に配置されている。バーナ６０の上端部には、燃料導入管６１が接続されている。この燃料導入管６１は、後述する断熱構造体７０の上端開口よりも上側に位置する。

燃焼室３４の上壁部には、燃焼空気導入管６２が接続されている。この燃焼空気導入管６２は、後述する断熱構造体７０の第三管７３の上部から上側に向けて延びた後に湾曲し、その後、下側に向けて延びて燃焼室３４の上壁部に接続されている。この燃焼空気導入管６２の内側及び燃料導入管６１の内側は、燃焼室３４とそれぞれ連通している。

また、第三管２３の上端部には、燃焼排ガス排出管６３が接続されている。燃焼排ガス排出管６３の内側は、燃焼排ガス流路３３と連通している。この燃焼排ガス排出管６３、及び、上述の改質用水導入管５１、原燃料導入管５２、選択酸化空気導入管５３、燃料ガス送出管５４は、いずれも上側に向けて延びており、その各先端部は、後述する断熱構造体７０の上端開口から上側に突出している。

（断熱構造体の構成）
断熱構造体７０は、燃料処理装置本体２０と別体であり、燃料処理装置本体２０の外側（径方向外側）に設けられている。この断熱構造体７０も、多重管構造とされており、三重の管７１〜７３を有する。この三重の管７１〜７３は、例えば、ステンレス等の伝熱性の高い金属で形成されている。また、この三重の管７１〜７３には、上述の燃料処理装置本体２０の多重管と同様に、例えば、断面円形の円筒管や、断面楕円形の楕円管等の筒状のものが使用されている。

この三重の管７１〜７３は、断熱構造体７０の径方向外側から内側に順に配置されている。以降、外側から一番目の管７１を第一管７１と称し、外側から二番目の管７２を第二管７２と称し、外側から三番目の管７３を第三管７３と称する。

第一管７１と第二管７２との間は、密閉されており、真空断熱層８１として形成されている。特に図示しないが、第一管７１には、ノズルが設けられており、断熱構造体７０の組立後には、第一管７１と第二管７２との間の空気がノズルを通じて吸引されることにより、真空断熱層８１が形成される。

また、第二管７２の内側、つまり、第二管７２と第三管７３との間は、空気流路８２として形成されている。第二管７２には、第一管７１よりも厚いものが使用されており、真空断熱層８１には、輻射熱反射材８３が設けられている。輻射熱反射材８３は、真空断熱層８１の下端部から上端部に亘って設けられている。

また、第三管７３の下端部には、空気導入管８４が接続されている。空気導入管８４は、下側に向けて延びており、その先端部は、断熱構造体７０の下端開口から下側に突出している。また、第三管７３の上端部には、上述の如く燃焼空気導入管６２が接続されている。空気導入管８４の内側、空気流路８２、燃焼空気導入管６２の内側、及び、上述の燃焼室３４とは、互いに連通している。

燃料処理装置本体２０と断熱構造体７０との間には、断熱材９０が充填されている。また、断熱構造体７０の上端部には、高温部である一酸化炭素低減部４２に対して上側に突出する延長部７４が形成されており、断熱構造体７０の下端部には、高温部である改質部４１に対して下側に突出する延長部７５が形成されている。断熱構造体７０の上端部及び下端部は、本発明における「断熱構造体の軸方向両端部」の一例である。

そして、この断熱構造体７０の上端部及び下端部に形成された各延長部７４、７５の内側には、断熱材９０の上端部９４及び下端部９５がそれぞれ充填されている。また、上述の燃料処理装置本体２０は、断熱材９０の上端部９４によって上側から覆われると共に、断熱材９０の下端部９５によって下側から覆われている。

燃料処理装置本体２０の下端部には、例えば熱電対等の配線部材６４が設けられており、この配線部材６４は、断熱材９０の下端部９５を貫通して燃料処理装置１０の下側に導出されている。

（燃料処理装置の動作）
次に、上述の燃料処理装置１０の動作を説明する。

空気導入管８４を通じて空気流路８２に空気が導入されると、この空気は、燃焼空気導入管６２を通じて燃焼室３４内のバーナ６０に供給される。また、燃料導入管６１を通じてバーナ６０に燃焼用燃料が供給され、この燃焼用燃料が燃焼室３４にて燃焼される。燃焼室３４にて燃焼された燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路３３を通じて燃焼排ガス排出管６３から外部に排出される。

また、燃料処理流路３２には、改質用水導入管５１及び原燃料導入管５２を通じて改質用水及び原燃料が導入される。原燃料としては、例えば、都市ガスが好適に用いられるが、プロパンなどの炭化水素を主成分とするガスが用いられても良く、また、原燃料として炭化水素系液体が用いられても良い。

改質用水及び原燃料が燃料処理流路３２に導入されると、この燃料処理流路３２に設けられた改質触媒層３５では、燃焼排ガス流路３３を流れる燃焼排ガスの熱を利用することにより原燃料が水蒸気改質されて、水素を主成分とする燃料ガス（改質ガス）が生成される。この燃料ガスは、燃料処理流路３２から燃料ガス流路３１に流入する。

燃料ガス流路３１を流れる燃料ガスは、シフト触媒層３６及び選択酸化触媒層３７を順に通過する。シフト触媒層３６では、燃料ガス中の一酸化炭素がシフト反応により変成され、選択酸化触媒層３７では、選択酸化空気導入管５３から導入された空気を利用して、燃料ガス中の一酸化炭素が選択酸化反応により除去される。そして、シフト触媒層３６及び選択酸化触媒層３７にて一酸化炭素が除去された燃料ガスは、燃料ガス送出管５４を通じて外部の例えば燃料電池等に送出される。

次に、本発明の第一実施形態の作用及び効果について説明する。

先ず、本発明の第一実施形態の作用及び効果を明確にするために、比較例について説明する。図９には、比較例に係る燃料処理装置３１０が示されている。この比較例に係る燃料処理装置３１０は、上述の第一実施形態に係る燃料処理装置１０に対し、燃料処理装置本体２０の構成は略同様であるが、この燃料処理装置本体２０を覆う断熱層の全体にシリカアルミナ系の断熱材３２０が用いられている。

しかしながら、この比較例のように、シリカアルミナ系の高性能な断熱材３２０を用いた場合であっても、高温部である改質部等を断熱する場合には、厚みを大きくする必要があり、小型化を阻害する要因となる。

これに対し、図１〜図３に示される本発明の第一実施形態に係る燃料処理装置１０によれば、燃料ガス流路３１を有する燃料処理装置本体２０の外側には、三重の多重管構造である断熱構造体７０が設けられている。この断熱構造体７０は、第一管７１と第二管７２との間に、例えばシリカアルミナ系の高性能断熱材に比して断熱性の高い真空断熱層８１を有する。したがって、断熱構造体７０の厚みが薄くて済むので、燃料処理装置１０を小型化することができる。

つまり、図１に示される想像線Ｌは、上述の比較例に係る燃料処理装置３１０の断熱材３２０の外形部を示しており、この断熱材３２０の径方向の寸法は、φ２であるのに対し、本発明の第一実施形態に係る燃料処理装置１０では、断熱構造体７０の径方向の寸法がφ２よりも大幅に小さいφ１となっている。

しかも、本発明の第一実施形態に係る燃料処理装置１０によれば、断熱構造体７０は、第二管７２と第三管７３との間に、空気が流れる空気流路８２を有している。したがって、燃料ガス流路３１を流れる燃料ガス中の水素が、燃料処理装置本体２０の第一管２１、断熱材９０、及び、断熱構造体７０の第三管７３を透過して空気流路８２に侵入しても、空気流路８２における空気の流れに伴い水素の分圧が低くなる。このため、空気流路８２に侵入した水素が断熱構造体７０の第二管７２を透過して真空断熱層８１に侵入することを抑制することができる。これにより、真空断熱層８１の真空度を維持できるので、断熱性を確保することができる。

さらに、空気流路８２は、燃料処理装置本体２０の燃焼室３４と連通されている。したがって、この空気流路８２を流れると共に燃料ガスとの熱交換により予熱された空気を、燃料処理装置本体２０の燃焼室３４での燃焼に利用することができる。これにより、例えば空気流路８２を流れる空気が外部に放散される場合に比して、システム効率の低下を抑制することができる。

また、断熱構造体７０の第二管７２が、断熱構造体７０の第一管７１よりも厚いので、空気流路８２に侵入した水素が断熱構造体７０の第二管７２を透過して真空断熱層８１に侵入することをより一層効果的に抑制することができる。これにより、真空断熱層８１の真空度をより高く維持することができる。

また、断熱構造体７０の第二管７２が厚いことにより、燃料処理装置１０の外形部を構成する断熱構造体７０の剛性を向上させることができる。

また、真空断熱層８１に輻射熱反射材８３が設けられているので、燃料処理装置本体２０からの輻射熱を輻射熱反射材８３で反射することができる。これにより、断熱性を向上させることができる。

また、断熱構造体７０の上端部及び下端部には、高温部である改質部４１及び一酸化炭素低減部４２に対して上側及び下側に突出する延長部７４、７５がそれぞれ形成されており、この各延長部７４、７５の内側には、断熱材９０の上端部９４及び下端部９５がそれぞれ充填されている。したがって、高温部である改質部４１及び一酸化炭素低減部４２の熱が断熱構造体７０の上端部及び下端部から逃げることを抑制することができる。これにより、断熱性をより向上させることができる。

また、燃料処理装置本体２０と断熱構造体７０との間には、断熱材９０が充填されているので、断熱性を向上させることができる。

また、断熱構造体７０は、燃料処理装置本体２０と別体であるので、燃料処理装置１０の組立時に、燃料処理装置本体２０と断熱構造体７０との間に断熱材９０を容易に充填することができる。

次に、本発明の第一実施形態の変形例について説明する。

図４に示されるように、上述の第一実施形態において、真空断熱層８１には、ガス吸着剤１００が封入されていても良い。このように、真空断熱層８１にガス吸着剤１００が封入されていると、真空断熱層８１に侵入したガスをガス吸着剤１００で吸着することができる。これにより、真空断熱層８１の真空度をより高く維持することができる。

また、上述の第一実施形態において、燃料処理装置本体２０は、燃料ガス流路３１、燃料処理流路３２、及び、燃焼排ガス流路３３を有する四重の多重管構造であるが、第一管２１と第二管２２との間に、水素を主成分とする燃料ガスが流れる燃料ガス流路３１を有する多重管構造であれば、どのような構造でも良い。

また、上述の第一実施形態において、断熱構造体７０は、真空断熱層８１及び空気流路８２を有する三重の多重管構造であるが、第一管７１と第二管７２との間に真空断熱層８１を有すると共に、第二管７２の内側に空気流路８２を有する多重管構造であれば、どのような構造でも良い。

また、上述の第一実施形態において、断熱構造体７０は、燃料処理装置本体２０と別体であり、空気流路８２は、三重の多重管構造である断熱構造体７０の第二管７２と第三管７３との間に形成されている。しかしながら、断熱構造体７０は、燃料処理装置本体２０と一体の二重の多重管構造とされ、空気流路８２は、断熱構造体７０の第二管７２と燃料処理装置本体２０の第一管２１との間に形成されていても良い。

また、上述の第一実施形態において、断熱構造体７０の第二管７２は、好ましくは、断熱構造体７０の第一管７１よりも厚く構成されるが、例えば、第二管７２における水素の透過を阻止できる場合には、断熱構造体７０の第二管７２は、断熱構造体７０の第一管７１と同じ厚み、又は、第一管７１よりも厚みが薄くても良い。

また、上述の第一実施形態において、真空断熱層８１には、好ましくは、輻射熱反射材８３が設けられるが、輻射熱反射材８３が省かれても良い。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について説明する。

（燃料電池モジュールの全体構成）
図５〜図７に示されるように、第二実施形態に係る燃料電池モジュールＭは、燃料電池セルスタック２３０と、多重管構造体２４０と、上側の断熱材２１４と、下側の断熱材２１５とを備える。

各図において、矢印Ａ１は、燃料電池モジュールＭにおける軸方向一方側を示しており、矢印Ａ２は、燃料電池モジュールＭにおける軸方向他方側を示している。この燃料電池モジュールＭは、一例として、軸方向一方側を上側とすると共に、軸方向他方側を下側として配置される。以降、燃料電池モジュールＭの軸方向一方側を上側、燃料処理装置１１０の軸方向他方側を下側として説明する。

（燃料電池セルスタックの構成）
燃料電池セルスタック２３０には、一例として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が適用されている。この燃料電池セルスタック２３０は、多重管構造体２４０の底部に設けられたベース部材２４１の上に載置されている。この燃料電池セルスタック２３０は、複数の平板形のセル２３１を有している。この複数のセル２３１は、多重管構造体２４０の上下方向に積層されている。

各セル２３１は、燃料極（アノード極）、電解質層、空気極（カソード極）を有する。各セル２３１は、燃料極に供給された燃料ガスと、空気極に供給された空気（酸化剤ガス）との電気化学反応により発電すると共に、発電に伴い発熱する。

（多重管構造体の構成）
多重管構造体２４０は、合計五重の多重管構造とされている。この多重管構造体２４０は、機能別には、燃料処理装置本体１２０と、断熱構造体１９０とに分類される。燃料処理装置本体１２０は、多重管構造体２４０のうち内側の三重管構造体を有して構成されており、断熱構造体１９０は、多重管構造体２４０のうち外側の二重管構造体を有して構成されている。

多重管構造体２４０の複数の管は、例えば、ステンレス等の伝熱性の高い金属で形成されている。また、この多重管構造体２４０の複数の管には、例えば、断面円形の円筒管や、断面楕円形の楕円管等の筒状のものが使用されている。

（燃料処理装置本体の構成）
燃料処理装置本体１２０は、三重の管１２１〜１２３を有する。この三重の管１２１〜１２３は、燃料処理装置本体１２０の径方向外側から内側に順に配置されている。以降、外側から一番目の管１２１を第一管１２１と称し、外側から二番目の管１２２を第二管１２２と称し、外側から三番目の管１２３を第三管１２３と称する。

この燃料処理装置本体１２０は、機能別には、気化部１３１、改質部１３２、及び、燃焼部１３３を有する。この気化部１３１、改質部１３２、及び、燃焼部１３３は、燃料処理装置本体１２０の上側から下側に順に並んでいる。改質部１３２及び燃焼部１３３は、その周囲部である例えば気化部１３１等に対して相対的に温度が高くなる高温部である。一方、気化部１３１は、高温部よりも低温の低温部である。

第一管１２１と第二管１２２との間には、気化流路１４１及び燃料ガス流路１５１が上下に連なって形成されている。気化流路１４１は、気化部１３１の上端から下端に亘って形成されており、燃料ガス流路１５１は、改質部１３２の上端から燃焼部１３３の下端側（後述する隔壁部１８１まで）に亘って形成されている。この気化流路１４１及び燃料ガス流路１５１とは、互いに連通している。燃料ガス流路１５１は、本発明における「水素を主成分とする燃料ガスが流れる燃料ガス流路」の一例であり、この燃料ガス流路１５１には、改質触媒層１５２が設けられている。

また、第二管１２２と第三管１２３との間は、燃焼排ガス流路１５３として形成されている。燃焼排ガス流路１５３は、気化部１３１及び改質部１３２に亘って形成されている。第一管１２１の上端部には、原燃料導入管１６１が接続されており、第二管１２２の上端部には、燃焼排ガス排出管１６２が接続されている。原燃料導入管１６１の内側は、気化流路１４１の上端部と連通しており、燃焼排ガス排出管１６２の内側は、燃焼排ガス流路１５３の上端部と連通している。

第二管１２２は、第三管１２３に対して下側に延びており、この第二管１２２の下側の部分の内側は、燃焼室１３５として形成されている。第三管１２３の内側は、断熱空間１３６として形成されており、第三管１２３の下端部には、燃焼室１３５内に延びるテーパ部１３７が形成されている。

このテーパ部１３７の先端部には、点火電極１７１が設けられている。点火電極１７１は、テーパ部１３７の先端部（下端部）から燃焼室１３５内に突出しており、燃焼室１３５の中心部に配置されている。第三管１２３の内側には、パイプ１７２が収容されており、このパイプ１７２の内側には、点火電極１７１と接続され碍子で絶縁された導電部１７３が挿入されている。

本実施形態では、上述の気化部１３１、改質部１３２、燃焼部１３３、原燃料導入管１６１、燃焼排ガス排出管１６２、及び、点火電極１７１等によって、燃料処理装置１１０が構成されている。上述の燃料電池セルスタック２３０は、この燃料処理装置１１０の下側に燃料処理装置１１０と並んで配置されている。

この燃料処理装置１１０の下側には、収容部１３４が設けられている。つまり、燃料処理装置本体１２０の第一管１２１の下部は、第二管１２２よりも下側に延長されており、この第二管１２２の下部によって筒状の収容部１３４が形成されている。この収容部１３４の内側には、燃料電池セルスタック２３０が収容されている。収容部１３４は、燃料電池セルスタック２３０が放出する熱により高温になる。この収容部１３４は、上述の改質部１３２及び燃焼部１３３と共に、その周囲部である気化部１３１等に対して相対的に温度が高くなる高温部を構成している。

第二管１２２の下端部には、燃焼室１３５を上下に区画する隔壁部１８１が設けられている。この隔壁部１８１の中央部には、連通孔１８２が形成されている。この隔壁部１８１の下面には、連通孔１８２を囲うように環状の整流部材１８３が設けられている。整流部材１８３は、燃料電池セルスタック２３０と隔壁部１８１との間に設けられている。

また、収容部１３４の内側には、燃料ガス供給管１８４が設けられている。この燃料ガス供給管１８４の上端部は、隔壁部１８１に接続されており、燃料ガス流路１５１の下端部と燃料電池セルスタック２３０の燃料ガス導入口２３２とは、隔壁部１８１に形成された孔１８５及び燃料ガス供給管１８４の内側を通じて連通している。

（断熱構造体の構成）
断熱構造体１９０は、燃料処理装置本体１２０と一体であり、燃料処理装置本体１２０の外側（径方向外側）に設けられている。この断熱構造体１９０は、高温部である改質部１３２、燃焼部１３３、及び、収容部１３４の外周部を覆っている。この断熱構造体１９０は、二重の管１９１、１９２を有する。この二重の管１９１、１９２は、断熱構造体１９０の径方向外側から内側に順に配置されている。以降、外側から一番目の管１９１を第一管１９１と称し、外側から二番目の管１９２を第二管１９２と称する。

第一管１９１と第二管１９２との間は、密閉されており、真空断熱層２０１として形成されている。特に図示しないが、第一管１９１には、ノズルが設けられており、断熱構造体１９０を含む多重管構造体２４０の組立後には、第一管１９１と第二管１９２との間の空気がノズルを通じて吸引されることにより、真空断熱層２０１が形成される。

また、第二管１９２の内側、つまり、第二管１９２と燃料処理装置本体１２０の第一管１２１との間は、空気流路２０２として形成されている。第二管１９２には、第一管１９１よりも厚いものが使用されており、真空断熱層２０１には、輻射熱反射材２０３が設けられている。輻射熱反射材２０３は、真空断熱層２０１の下端部から上端部に亘って設けられている。

また、第二管１９２及び燃料処理装置本体１２０の第一管１２１の上端部には、空気導入管２０４が接続されている。空気導入管２０４の内側は、空気流路２０２と連通している。ベース部材２４１には、空気供給路２４２が形成されており、空気流路２０２の下端部は、空気供給路２４２を通じて燃料電池セルスタック２３０の空気導入口２３３と連通している。

断熱構造体１９０の上端部には、高温部である改質部１３２に対して上側に突出する延長部１９４が形成されており、断熱構造体１９０の下端部には、高温部である収容部１３４に対して下側に突出する延長部１９５が形成されている。断熱構造体１９０の上端部及び下端部は、本発明における「断熱構造体の軸方向両端部」の一例である。

そして、この断熱構造体１９０の上端部及び下端部に形成された各延長部１９４、１９５の内側には、上側の断熱材２１４及び下側の断熱材２１５がそれぞれ充填されている。また、上側の延長部１９４の内側に設けられた断熱材２１４は、低温部である気化部１３１の外周部を覆っている。

また、燃料電池セルスタック２３０には、例えば電力線等の配線部材２３４が接続されており、この配線部材２３４は、下側の断熱材２１５を貫通して燃料電池モジュールＭの下側に導出されている。

（燃料電池モジュールの動作）
次に、上述の燃料電池モジュールＭの動作を説明する。

気化流路１４１には、原燃料供給管を通じて原燃料が供給される。この原燃料としては、例えば、炭化水素燃料に改質用水が混合されたものが使用される。炭化水素燃料としては、例えば、都市ガスが好適に用いられるが、プロパンなどの炭化水素を主成分とするガスが用いられても良く、また、炭化水素系液体が用いられても良い。

気化流路１４１に原燃料が供給されると、この原燃料は、気化流路１４１を上側から下側へ流れる。このとき、気化部１３１では、燃焼室１３５から排出された燃焼排ガスが燃焼排ガス流路１５３を下側から上側に流れる。気化流路１４１に隣接する燃焼排ガス流路１５３に燃焼排ガスが流れると、気化流路１４１を流れる原燃料と燃焼排ガスとの間で熱交換される。そして、気化流路１４１では、原燃料が気化されて原燃料ガスが生成される。

気化流路１４１で気化された原燃料ガスは、燃料ガス流路１５１に流入する。改質部１３２では、燃焼室１３５から排出された燃焼排ガスが燃焼排ガス流路１５３を下側から上側に流れるので、燃料ガス流路１５１を流れる原燃料ガスと燃焼排ガスとの間で熱交換される。そして、燃料ガス流路１５１では、燃焼排ガスの熱を利用して改質触媒層１５２により原燃料ガスから燃料ガス（改質ガス）が生成される。

この燃料ガス流路１５１にて生成された燃料ガスは、隔壁部１８１に形成された孔１８５を通じて燃料ガス供給管１８４の内側に流入する。そして、この燃料ガスは、燃料ガス供給管１８４を通じて燃料電池セルスタック２３０の燃料ガス導入口２３２に供給される。

一方、改質部１３２では、空気導入管２０４を通じて空気流路２０２に空気（酸化剤ガス）が供給され、この空気は、空気流路２０２を上側から下側に流れる。この空気流路２０２を流れる空気は、空気流路２０２の下部にて燃料電池セルスタック２３０の熱によって予熱される。そして、この予熱された空気は、ベース部材２４１に形成された空気供給路２４２を通じて燃料電池セルスタック２３０の空気導入口２３３に供給される。

以上のようにして、燃料電池セルスタック２３０の燃料ガス導入口２３２に燃料ガスが供給されると共に、燃料電池セルスタック２３０の空気導入口２３３に空気が供給されると、燃料電池セルスタック２３０では、各セル２３１において、燃料ガスと空気（酸化剤ガス）との電気化学反応により発電する。また、各セル２３１は、発電に伴い発熱する。

また、燃料電池セルスタック２３０の発電時に、燃料電池セルスタック２３０からは、燃料極排ガス及び空気極排ガスを含むスタック排ガスが整流部材１８３の内側に排出される。そして、スタック排ガスは、整流部材１８３において混合されると共に、隔壁部１８１の連通孔１８２から噴出され、隔壁部１８１の上側に供給される。

この隔壁部１８１の上側に供給されたスタック排ガスには、燃料電池セルスタック２３０にて発電に供されなかった燃料ガス及び空気が含まれており、この隔壁部１８１の上側に供給されたスタック排ガスは、点火電極１７１とパイプ１７２等との間に形成されるスパークによって点火され燃焼される。

そして、このようにして燃焼室１３５においてスタック排ガスが燃焼されると、燃焼室１３５にて燃焼排ガスが生成される。この燃焼排ガスは、テーパ部１３７に沿って燃焼排ガス流路１５３に流入する。この燃焼排ガス流路１５３に流入した燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路１５３を下側から上側に流れた後、燃焼排ガス排出管１６２を通じて燃料電池モジュールＭの外部に排出される。

次に、本発明の第二実施形態の作用及び効果について説明する。

以上詳述したように、本発明の第二実施形態によれば、燃料ガス流路１５１を有する燃料処理装置本体１２０の外側には、二重の多重管構造である断熱構造体１９０が設けられている。この断熱構造体１９０は、第一管１９１と第二管１９２との間に、例えばシリカアルミナ系の高性能断熱材に比して断熱性の高い真空断熱層２０１を有する。したがって、断熱構造体１９０の厚みが薄くて済むので、燃料処理装置１１０を小型化することができる。

また、断熱構造体１９０は、第二管１９２の内側に、空気が流れる空気流路２０２を有している。したがって、燃料ガス流路１５１を流れる燃料ガス中の水素が、燃料処理装置本体１２０の第一管１２１を透過して空気流路２０２に侵入しても、空気流路２０２における空気の流れに伴い水素の分圧が低くなる。このため、空気流路２０２に侵入した水素が断熱構造体１９０の第二管１９２を透過して真空断熱層２０１に侵入することを抑制することができる。これにより、真空断熱層２０１の真空度を維持できるので、断熱性を確保することができる。

さらに、空気流路２０２は、燃料電池セルスタック２３０の空気導入口２３３と連通されている。したがって、この空気流路２０２を流れると共に燃料ガスとの熱交換により予熱された空気を、燃料電池セルスタック２３０の発電に利用することができる。これにより、例えば空気流路２０２を流れる空気が外部に放散される場合に比して、システム効率の低下を抑制することができる。

また、断熱構造体１９０の第二管１９２が、断熱構造体１９０の第一管１９１よりも厚いので、空気流路２０２に侵入した水素が断熱構造体１９０の第二管１９２を透過して真空断熱層２０１に侵入することをより一層効果的に抑制することができる。これにより、真空断熱層２０１の真空度をより高く維持することができる。

また、断熱構造体１９０の第二管１９２が厚いことにより、燃料電池モジュールＭの外形部を構成する断熱構造体１９０の剛性を向上させることができる。

また、真空断熱層２０１に輻射熱反射材２０３が設けられているので、燃料処理装置本体１２０からの輻射熱を輻射熱反射材２０３で反射することができる。これにより、断熱性を向上させることができる。

また、断熱構造体１９０の上端部及び下端部には、高温部である改質部１３２、燃焼部１３３、及び、収容部１３４に対して上側及び下側に突出する延長部１９４、１９５がそれぞれ形成されており、この各延長部１９４、１９５の内側には、断熱材２１４、２１５がそれぞれ充填されている。したがって、高温部の熱が断熱構造体１９０の上端部及び下端部から逃げることを抑制することができる。これにより、断熱性をより向上させることができる。

また、断熱構造体１９０は、二重の多重管構造であると共に、燃料処理装置本体１２０と一体であるので、燃料処理装置本体１２０及び断熱構造体１９０を含む多重管構造体２４０の製造時には、この断熱構造体１９０を燃料処理装置本体１２０と一体に組み立てることができる。これにより、例えば、断熱構造体１９０が燃料処理装置本体１２０と別体である場合に比して、組立工数を削減することができるので、コストダウンすることができる。

また、高温部である改質部１３２、燃焼部１３３、及び、収容部１３４の外周部は、真空断熱層２０１を含む断熱構造体１９０によって覆われているので、高い断熱性を要する高温部に対して高い断熱性を発揮することができる。

また、低温部である気化部１３１の外周部は、上側の断熱材２１４によって覆われているが、低温部は高い断熱性を要しないので、上側の断熱材２１４の厚さが薄くて済む。これにより、小型化を実現することができる。

さらに、低温部である気化部１３１の外周部を真空断熱層２０１で覆わなくて済むので、高温部及び低温部を含む燃料処理装置本体１２０の設計の自由度を高めることができる。

次に、本発明の第二実施形態の変形例について説明する。

図７に示されるように、上述の第二実施形態において、真空断熱層２０１には、ガス吸着剤２００が封入されていても良い。このように、真空断熱層２０１にガス吸着剤２００が封入されていると、真空断熱層２０１に侵入したガスをガス吸着剤２００で吸着することができる。これにより、真空断熱層２０１の真空度をより高く維持することができる。

また、上述の第二実施形態において、燃料処理装置本体１２０は、燃料ガス流路１５１及び燃焼排ガス流路１５３を有する三重の多重管構造であるが、第一管１２１と第二管１２２との間に、水素を主成分とする燃料ガスが流れる燃料ガス流路１５１を有する多重管構造であれば、どのような構造でも良い。

また、上述の第二実施形態において、断熱構造体１９０は、第一管１９１と第二管１９２との間に真空断熱層２０１を有すると共に、第二管１９２の内側に空気流路２０２を有する二重の多重管構造であるが、第一管１９１と第二管１９２との間に真空断熱層２０１を有すると共に、第二管１９２の内側に空気流路２０２を有する多重管構造であれば、どのような構造でも良い。

また、上述の第二実施形態において、断熱構造体１９０は、燃料処理装置本体１２０と一体であり、空気流路２０２は、断熱構造体１９０の第二管１９２と、燃料処理装置本体１２０の第一管１２１との間に形成されている。しかしながら、断熱構造体１９０は、燃料処理装置本体１２０と別体の三重の多重管構造とされ、第一管１９１と第二管１９２との間に真空断熱層２０１を有すると共に第二管１９２とその内側の第三管との間に空気流路２０２を有していても良い。

また、断熱構造体１９０が燃料処理装置本体１２０と別体である場合に、燃料処理装置本体１２０と断熱構造体１９０との間には、断熱材が充填されていても良い。

また、上述の第二実施形態において、断熱構造体１９０の第二管１９２は、好ましくは、断熱構造体１９０の第一管１９１よりも厚く構成されるが、例えば、第二管１９２における水素の透過を阻止できる場合には、断熱構造体１９０の第二管１９２は、断熱構造体１９０の第一管１９１と同じ厚み、又は、第一管１９１よりも厚みが薄くても良い。

また、上述の第二実施形態において、真空断熱層２０１には、好ましくは、輻射熱反射材２０３が設けられるが、輻射熱反射材２０３が省かれても良い。

また、上述の第二実施形態では、上述の第一実施形態に係る燃料処理装置１０と燃料電池セルスタック２３０とが組み合わされて燃料電池モジュールＭが構築されても良い。

以上、本発明の第一及び第二実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

（第一実施形態）
１０…燃料処理装置、２０…燃料処理装置本体、２１…第一管（外側から一番目の管）、２２…第二管（外側から二番目の管）、２３…第三管（外側から三番目の管）、２４…第四管（外側から四番目の管）、３１…燃料ガス流路、３２…燃料処理流路、３３…燃焼排ガス流路、３４…燃焼室、３５…改質触媒層、３６…シフト触媒層、３７…選択酸化触媒層、４１…改質部、４２…一酸化炭素低減部、５１…改質用水導入管、５２…原燃料導入管、５３…選択酸化空気導入管、５４…燃料ガス送出管、６０…バーナ、６１…燃料導入管、６２…燃焼空気導入管、６３…燃焼排ガス排出管、６４…配線部材、７０…断熱構造体、７１…第一管（外側から一番目の管）、７２…第二管（外側から二番目の管）、７３…第三管（外側から三番目の管）、７４、７５…延長部、８１…真空断熱層、８２…空気流路、８３…輻射熱反射材、８４…空気導入管、９０…断熱材、９４…上端部、９５…下端部、１００…ガス吸着剤。
（第二実施形態）
１１０…燃料処理装置、１２０…燃料処理装置本体、１２１…第一管（外側から一番目の管）、１２２…第二管（外側から二番目の管）、１２３…第三管（外側から三番目の管）、１３１…気化部、１３２…改質部、１３３…燃焼部、１３４…収容部、１３５…燃焼室、１３６…断熱空間、１３７…テーパ部、１４１…気化流路、１５１…燃料ガス流路、１５２…改質触媒層、１５３…燃焼排ガス流路、１６１…原燃料導入管、１６２…燃焼排ガス排出管、１７１…点火電極、１７２…パイプ、１７３…導電部、１８１…隔壁部、１８２…連通孔、１８３…整流部材、１８４…燃料ガス供給管、１８５…孔、１９０…断熱構造体、１９１…第一管（外側から一番目の管）、１９２…第二管（外側から二番目の管）、１９４、１９５…延長部、２００…ガス吸着剤、２０１…真空断熱層、２０２…空気流路、２０３…輻射熱反射材、２０４…空気導入管、２１４、２１５…断熱材、２３０…燃料電池セルスタック、２３１…セル、２３２…燃料ガス導入口、２３３…空気導入口、２３４…配線部材、２４０…多重管構造体、２４１…ベース部材、２４２…空気供給路。

Claims (9)

1. 多重管構造であると共に、外側から一番目の管と二番目の管との間に、水素を主成分とする燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有する燃料処理装置本体と、
   前記燃料処理装置本体の外側に設けられた少なくとも二重の多重管構造であると共に、外側から一番目の管と二番目の管との間に、真空断熱層を有し、かつ、外側から二番目の管の内側に、前記燃料処理装置本体の燃焼室又は燃料電池セルスタックの空気導入口と連通され空気が流れる空気流路を有する断熱構造体と、
   を備える燃料処理装置。
2. 前記断熱構造体における外側から二番目の管は、前記断熱構造体における外側から一番目の管よりも厚い、
   請求項１に記載の燃料処理装置。
3. 前記真空断熱層には、輻射熱反射材が設けられている、
   請求項１又は請求項２に記載の燃料処理装置。
4. 前記真空断熱層には、ガス吸着剤が封入されている、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料処理装置。
5. 前記燃料処理装置本体は、周囲部に対して相対的に温度が高くなる高温部を有し、
   前記断熱構造体の軸方向両端部には、前記高温部に対して前記断熱構造体の軸方向に突出する延長部がそれぞれ形成され、
   各前記延長部の内側には、断熱材がそれぞれ充填されている、
   請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の燃料処理装置。
6. 前記断熱構造体は、前記燃料処理装置本体と別体であり、
   前記燃料処理装置本体と前記断熱構造体との間には、断熱材が充填されている、
   請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の燃料処理装置。
7. 前記断熱構造体は、前記燃料処理装置本体と一体であり、
   前記断熱構造体における外側から二番目の管と、前記燃料処理装置本体における外側から一番目の管との間には、前記空気流路が形成されている、
   請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の燃料処理装置。
8. 前記燃料処理装置本体は、周囲部に対して相対的に温度が高くなる高温部と、前記高温部の軸方向に前記高温部と並んで設けられると共に前記高温部よりも低温の低温部とを有し、
   前記高温部の外周部は、前記断熱構造体によって覆われ、
   前記低温部の外周部は、断熱材によって覆われている、
   請求項７に記載の燃料処理装置。
9. 請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の燃料処理装置と、
   前記燃料処理装置の軸方向に前記燃料処理装置と並んで配置され、前記燃料ガス流路及び前記空気流路を通じて供給された燃料ガスと空気との電気化学反応により発電する燃料電池セルスタックと、
   を備える燃料電池モジュール。

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